Understanding PID temperature controller 12V: A detailed guide (باللغة الإنجليزية)

1. المقدمة

سوف تصف هذه المقالة مكوناتها، وتشرح المبادئ الأساسية التي تحكم تشغيلها في نظام التحكم في الحلقة المغلقة، ودراسة قضايا التنفيذ المشتركة، والنظر في عملية الضبط. وسيعطي هذا التحليل المتعمق القراء فهماً شاملاً للتكنولوجيا وتطبيقاتها في بيئة تعمل بنظام 12 فولت. ويمكن استخدامها بعد ذلك لمصلحتهم لمختلف الأنظمة.

2. ما المقصودجهاز التحكم في درجة الحرارة12 فولت؟

جهاز التحكم في درجة حرارة PID 12V هو في الأساس جهاز إلكتروني متخصص مصمم لإدارة درجة حرارة متغير عملية معين من خلال استخدام خوارزمية التحكم النسبية المتكاملة المشتقة (PID). وهو عبارة عن نظام تحكم مغلق يقوم باستمرار بمراقبة درجة الحرارة التي يتم التحكم فيها، ويقوم بإجراء تعديلات محسوبة من أجل جعلها أقرب أو أبعد من درجة الحرارة المحددة. تم تصميم هذا الجهاز للعمل مع مصدر تيار مستمر 12 فولت. مواصفات 12 فولت تسمح لها أن تكون متوافقة مع العديد من مصادر الطاقة والبطاريات وأنظمة السيارات الكهربائية وبنك الطاقة المحمولة. الثالث. ما هو جهاز التحكم في درجة الحرارة 12 فولت؟ شرح حلقة التحكم

يعمل جهاز التحكم في درجة حرارة PID 12V على أساس مبادئ التحكم في الحلقة المغلقة. يعمل النظام من خلال دورة ثابتة من القياس والمقارنة والحساب واتخاذ الإجراءات. فيما يلي الخطوات الرئيسية:

حلقة التحكم الأساسية:1. قياس أجهزة الاستشعار: تبدأ هذه العملية بمستشعر درجة الحرارة الذي يتم وضعه استراتيجيًا لتحديد درجة الحرارة الدقيقة في النظام أو البيئة. سيقوم المستشعر بتحويل درجة الحرارة الفيزيائية إلى إشارة كهربائية. وعادة ما يكون هذا التغير في الجهد أو المقاومة بالتناسب مع درجة الحرارة. وتشمل أجهزة الاستشعار الترمستورات، وكاشفات مقاومة الحرارة، والمزدوجات الحرارية.

2. حساب الخطأ: يتم إرسال الإشارة الكهربائية إلى وحدة تعريف المعلمات. ثم تتم مقارنة هذه الإشارة الخام من المستشعر بقيمة أو جهد يتوافق مع درجة حرارة نقطة التحول. احسب الفرق بين درجة الحرارة المقاسة والنقطة المحددة. يتم استخدام الخطأ كمدخل رئيسي لخوارزمية تعريف الهوية المعلوماتية. يكون الخطأ سالبا إذا كانت درجة الحرارة المقيسة أكبر من النقطة المحددة ؛ هو.#سيكون إيجابياً إذا كانت درجة الحرارة أقل

3. تنفيذ خوارزمية تعريف المعلمات: تتم معالجة إشارة الخطأ هذه بواسطة وحدة تحكم تعريف المعلمات التي &#غالبا ما يتم بناء 39;s فوق متحكم دقيق. وظيفتها الأساسية هي خوارزمية PID التي تستخدم ثلاثة مصطلحات لحساب الإجراء التصحيحي.

P-Term النسبية: ينتج هذا المصطلح إشارة خرج تتناسب طرديًا مع حجم الخطأ. ويمكن التعبير عنها رياضيا كما P_output=Kp*Error حيث Kp تمثل المكسب النسبي. يؤدي الخطأ الأكبر إلى ناتج P أقوى. وهي استجابة سريعة تحاول التقليل من الخطأ. ومع ذلك، فإنه يمكن أن يترك أخطاء متبقية إذا كانت قدرة النظام على الاستجابة بسرعة محدودة.

* يستخدم هذا المصطلح لوصف تراكم الأخطاء في الوقت المناسب. يتم دمج إشارة الخطأ (على سبيل المثال الخطأ * dt)، ويزداد الناتج أو يقل طالما أن هناك أخطاء، بغض النظر عن مدى صغرها. رياضيا I_output يساوي Ki * Error Dt حيث Ki يمثل المكسب التكاملي. يستخدم الإخراج I_output في المقام الأول لإزالة أخطاء الحالة الثابتة. وهو يعمل بلا كلل لتحقيق درجة حرارة النظام إلى نقطة ضبطه حتى مع الأخطاء الصغيرة التي قد لا تكون P_term قادرة على تصحيحها بالكامل.

* الاشتقاق D المدى (): يتنبأ بالخطأ المستقبلي على أساس مدى سرعة تغير الأخطاء الحالية. يتم حساب المشتقة (d(Error/dt ويتم توليد ناتج يواجه التغيرات السريعة. يتم حساب ناتج D_output رياضيا مثل Kd*d (Error/dt), حيث تمثل Kd كسب المشتقات. يعمل المدى D كقوة تخفيف لتقليل التذبذبات التي يمكن أن تحدث إذا تصرفت P أو I بقوة وتسبب تجاوز درجة الحرارة لنقطتها المحددة. وهذا يساعد أيضا على توقع الحاجة إلى التصحيح، الذي يمكن أن يؤدي إلى رد فعل أولي أسرع.

4. توليد إشارات التحكم: في وحدة التحكم، يتم إضافة الإخراج المجمع من P و I و D (أو وزن). وهذا يؤدي إلى إشارات التحكم الكلي. تشير الإشارة إلى مستوى التصحيح المطلوب -ما إذا كان ينبغي زيادة التدفئة أو التبريد. يمكن أن تكون هذه الإشارة تناظرية أو رقمية، اعتمادًا على كيفية تنفيذها.

5. التحكم في المشغل: سيتم إرسال إشارة التحكم المتولدة إلى المشغل المسؤول عن تنفيذ إجراءات التحكم ماديًا. يتحكم المشغل في كمية التسخين أو التبريد التي يتم تطبيقها على العملية. يمكن للإشارة الموجبة زيادة الطاقة لعنصر التسخين، أو تشغيل نظام التبريد، في حين أن الإشارة السالبة قد تقلل من التسخين، أو تشغيل المروحة أو عنصر التسخين. يشيع استخدام المرحلات ذات الحالة الصلبة لتبديل الطاقة عند الأحمال المقاومة مثل عناصر التسخين. يمكن استخدام MOSFETs للتحكم في أجهزة Peltier للتبريد أو لإدارة الأحمال الحالية الأعلى بسبب كفاءتها العالية.

6. تؤثر إجراءات التغذية التي تتخذها المشغلات بشكل مباشر على درجة حرارة العملية. عندما تتغير درجة حرارة النظام، تكون حلقة تغذية راجعة. يقيس المستشعر درجة الحرارة الجديدة، ثم تتكرر الحلقة، مما يخلق نظام تغذية مرتدة مستمر يقوم بتحريك درجة الحرارة نحو النقطة المحددة.

أهمية 12 فولت مصدر الطاقة: "12V"، الملصق الموجود على وحدة التحكم، ليس مجرد عنصر تصميم ولكن مهم. وحدة تحكم متوافقة مع 12 فولت ستكون مفيدة جدا، خصوصا في تطبيقات مثل السيارات، والإلكترونيات التي تعمل بالبطاريات، أو المنتجات الاستهلاكية. للحصول على الأداء الأمثل، تحتاج وحدة التحكم، التي تحتوي على وحدة التحكم الدقيقة وأجهزة الاستشعار، إلى جهد داخلي مختلف. ثم يتم تغذية 12V إلى منظم الجهد في جهاز التحكم. هذه الدائرة، التي تستخدم مكونات مثل المنظم الخطي و منظم التبديل يمكن توليد جهد أقل التي يحتاجها المنطق الداخلي. تم تصميم قسم الطاقة الخاص بوحدة التحكم بحيث يتدرج بأمان وكفاءة إلى أسفل أو يضبط 12 فولت لمكوناته الداخلية. ثم يتم تطبيق التحكم النهائي (على سبيل المثال PWM أو الجهد التناظري أو SSR) على عنصر التسخين أو جهاز التبريد عبر واجهة تعمل بواسطة 12 فولت (أو بواسطة إشارة منفصلة منخفضة الجهد).

يشتمل نظام التحكم في درجة حرارة معرف المعلمات 12 فولت على الميزات والمكونات التالية:

ومن الضروري فهم السمات الرئيسية لجهاز التحكم في تعريف المعلمات 12V ومكوناته المحددة من أجل اختيار أفضل جهاز. وهي تعمل جنبا إلى جنب لتوفير تنظيم دقيق وموثوق لدرجات الحرارة.   ومن الضروري فهم السمات الرئيسية لجهاز التحكم في تعريف المعلمات 12V ومكوناته المحددة من أجل اختيار أفضل جهاز. وهي تعمل جنبا إلى جنب لتوفير تنظيم دقيق وموثوق لدرجات الحرارة.

ألف -واجهة جهاز استشعار درجة الحرارة

1. متوافق: يجب أن تكون واجهة جهاز التحكم متوافقة مع مجس درجة الحرارة الذي يتطلبه التطبيق. أنواع المستشعرات لها تأثير كبير على الدقة والمدى ووقت الاستجابة. وتشمل أنواع المستشعر التي تدعمها وحدات التحكم ما يلي

* أجهزة الاستشعار الرقمية: على سبيل المثال، يوفر DS18B20 مخرجاً رقمياً عالي الدقة، ويبسط التكامل، ويسهل التكامل. ومن الشائع فقط الحاجة إلى سلك واحد عند استخدام أجهزة استشعار متعددة.

* أجهزة الاستشعار التناظرية: مثل ثرمستور NTC أو ثرمستور PTC الذي يتميز بمقاومة تتغير حسب درجة الحرارة، وثيرمستور RTDs الذي يتميز بكشف درجة حرارة المقاومة (مثل PT100 و PT1000) الذي يقوم بقياس المقاومة.

1. توصيل المستشعر: من المهم استخدام التوصيلات الفيزيائية والكهربائية الصحيحة. لتسهيل توصيل أسلاك الاستشعار وكابلات الإمداد بالطاقة، تستخدم الأطراف اللولبية بشكل شائع. موصلات الموز وأطراف المسمار جنبا إلى جنب مع رؤوس الموز غالبا ما تستخدم لجعل الاتصالات أسهل، وخاصة للنمذجة. وهناك معايير اتصال محددة مطلوبة لأجهزة الاستشعار الرقمية مثل DS18B20 (على سبيل المثال 1-واير).

ب. مصدر الطاقة:

1. إدخال الجهد: يتم قبول إدخال تيار مستمر 12 فولت كسمة أساسية لهذا التصميم. وعادة ما تكون وحدة الإمداد 12 فولت خارجية عن وحدات التحكم. مصدر الطاقة 12 فولت عادة ما يكون خارج وحدة التحكم.

1. معدل الطاقة: يتطلب كل من وحدة التحكم والمشغلات (السخان، المبرد) تيارًا كبيرًا. لذلك من الضروري اختيار مصدر طاقة خارجي 12 فولت مع قدرة التيار الصحيح. فولطية الإمداد بالطاقة يجب أن تكون مستقرة، وضبطها على 12VDC. يجب أن يكون التصنيف الحالي أعلى من مجموع طاقة المتحكم والحد الأقصى لتيار المشغل. ومن المهم استخدام مصدر طاقة يتم تصنيفه وفقًا للحمولة المتوقعة.

خيارات التحكم في المشغل: يجب أن يكون لدى المتحكم طريقة لتنظيم المشغل استجابة للإشارة. يتم تحديد متطلبات الواجهة من خلال اختيار المشغل.

1. مرحل الحالة الصلبة (SSR): مرحل الحالة الصلبة هو مفتاح إلكتروني يمكن التحكم فيه من خلال إخراج وحدة التحكم. إيتد#39;s تستخدم عادة للتحكم في الأحمال المقاومة مثل عناصر التسخين. يتم توليد إشارة التحكم من قبل جهاز التحكم (في كثير من الأحيان الجهد التناظري أو PWM) ويقود SSR. ثم يتم استخدام هذه الإشارة من قبل SSR إما للسماح بتدفق التيار إلى عنصر التسخين أو تعديل الطاقة ليتم تسليمها بسلاسة. يوفر التعديل تحكمًا أكثر دقة من التشغيل/إيقاف التشغيل البسيط.

تكوين وحدة تحكم SSR 12V شائع. في هذه الحالة، SSR&#يتم التحكم في درجة حرارة 39 s مباشرة عن طريق إشارة PWM 12V التي ينتجها جهاز التحكم. مصدر الطاقة للـ 12 فولت

1. يولد جهاز التحكم إشارات التحكم في الجهد المنخفض (على سبيل المثال PWM) التي تدفع بوابة MOSFET، وبالتالي، يتحكم في الطاقة إلى الحمل. الأحمال مثل السخانات والمبردات غالبا ما تكون متصلة مباشرة بدبابيس 12 فولت من وحدة التحكم (على سبيل المثال التحكم في SSR، MOSFET).

دال -منطق التحكم:

1. المتحكم المصغر: يوجد المتحكم المصغر في قلب المتحكم الرقمي الخاص بـ PID. يتم تنفيذ خوارزمية تعريف الهوية الشخصية بواسطة وحدة معالجة مركزية، مثل Arduino، ESP32 أو STM32. وتقرأ وحدة التحكم المتوسطة بيانات المستشعر وتحسب مصطلحات تعريف المنتج. ثم يولد إشارة تحكم ويقود واجهة المشغل. يتم اختيار وحدات القياس الرئيسية على أساس قوة المعالجة والتكلفة وقدرة الإدخال/الإخراج وغيرها من العوامل.

1. ضبط معرفات المعلمات: لتحقيق الأداء الأمثل، يلزم ضبط معلمات معرفات المعلمات: ربح نسبي (Kp)، ربح متكامل (Ki) ومكاسب مشتقة (Kd). المراقب#عدوانية 39 تتحدد بالتوليف. بعض أجهزة التحكم تسمح بالتوليف اليدوي باستخدام مقاييس الجهد أو شاشات العرض. آخرون لديهم خيارات الضبط الذاتي، والبعض الآخر يتطلب البرمجيات.

واجهة المستخدم (اختياري، ولكن شائع) واجهة المستخدم: يمكن أن تشمل وحدة التحكم الأساسية فقط الطرفيات اللولبية مع الحد الأدنى من المؤشرات. ومع ذلك، فإن معظم التطبيقات لديها HMI لجعلها أسهل للمستخدم.

1. العرض: شاشة LCD أو شاشة OLED تستخدم عادة للإشارة إلى درجة الحرارة في الوقت الحالي، والنقطة المحددة الحالية وحالة النظام.

1. المدخلات يسمح مقياس الجهد أو الأزرار للمستخدم بضبط معلمات تعريف المعلمات يدويًا وضبط درجة حرارة النقطة المحددة.

1. العرض: تعرض المصابيح حالة النظام وكيف يعمل جهاز التحكم.

F الاتصال: الاتصالات المادية أمر بالغ الأهمية لسهولة الإعداد.

1. أطراف البراغي: توفر طريقة شائعة وقوية لتوصيل الأسلاك لأجهزة الاستشعار والطاقة ومخرجات المشغلات.

1. Headers/Banana Jacks: توفير طريقة ملائمة للاتصال، والتي غالبا ما تستخدم على الدوائر المخصصة أو لوحات التطوير.

1. المستشعرات الرقمية: تتبع الاتصالات المعايير القياسية. على سبيل المثال، يتم استخدام اتصال 3 أسلاك ل RTDs/المزدوجات الحرارية ومستشعر DS18B20 الرقمي.

3. يستخدم من أجل 12 فولت وحدة تحكم في تعريف المعلمات

مزايا استخدام التحكم في درجة حرارة معرف المعلمات 12 فولت

ألف -الدقة العالية: تتيح خوارزميات تعريف الهوية الشخصية للمتحكم إمكانية تطبيق وحساب التعديلات الدقيقة. وهذا يسمح لها بتحقيق والحفاظ على درجة الحرارة المحددة بدقة عالية، والتي غالبا ما تكون أفضل من أجهزة التحكم في التشغيل/إيقاف التشغيل.

عملية مستقرة: باستخدام خوارزمية PID والحد المشتق لمنع تذبذبات درجة الحرارة حول النقطة المحددة، فإن النظام قادر على توفير تحكم أكثر موثوقية في درجة الحرارة.

جيم -الكفاءة في مجال الطاقة: تقلل نظم تحديد هوية المنتج من فقدان الطاقة عن طريق التحكم الدقيق في المشغلات. ويتم ذلك لتجنب دورات التدفئة والتبريد المفرطة. التحكم في المحرك يقلل بدقة من تدوير الحرارة.

الموثوقية وحدات التحكم في تعريف المعلمات ذات الجهد 12 فولت المصممة بشكل جيد، وخاصة تلك المصممة للبيئات القاسية مثل تطبيقات السيارات ذات الجهد 12 فولت، غالبًا ما يتم بناؤها بمكونات تم اختيارها اعتماديتها وثباتها. من السهل دمج مصدر الطاقة 12 فولت في مجموعة متنوعة من بيئات الطاقة المشتركة.

المرونة إمدادات 12 فولت مرنة ومتوافقة مع مجموعة متنوعة من مصادر الطاقة، مثل البطاريات، مقابس الحائط، أو أنظمة الطاقة للمركبات. عادة، يعالج المتحكم تحويل الجهد من تلقاء نفسه.

F. صداقة المستخدم: تتميز معظم وحدات تحكم معرف المنتج 12V بـ HMI (واجهة الإنسان -الآلة)، مما يجعل الإعداد سهلاً. عرض درجة الحرارة في الوقت الحاضر والنقطة المحددة الحالية. يمكن تعديل نقطة الإنقلاب وضبط تعريف المنتج بسهولة باستخدام الأزرار أو مقاييس فرق الجهد. المصابيح تظهر حالة النظام

الكفاءة: يقلل التحكم الدقيق من التدرجات الحرارية، مما يحسن من كفاءة العمليات.

السابع. ما يجب وضعه في الاعتبار عند اختيار واستخدام أجهزة التحكم في الهوية الشخصية 12 فولت

اختيار أجهزة الاستشعار: اختر أجهزة الاستشعار الأنسب لتطبيقات تطبيقك (مثل المقاوم الحراري أو المزدوجة الحرارية إذا كنت بحاجة إلى دقة عالية بالقرب من نقطة ما).

توافق المشغلات: يجب أن يكون لدى جهاز التحكم القادر على قيادة مكون التدفئة/التبريد المختار (على سبيل المثال SSR أو MOSFET) القدرة على القيام بذلك بناء على متطلبات الطاقة.

الإمداد بالطاقة: إن اختيار الإمداد بالطاقة 12 فولت بسعة كافية للتيار أمر بالغ الأهمية لضمان التشغيل الموثوق به. يتطلب هذا المتحكم 12 فولت منظم جهد داخلي.

الضبط: الضبط ضروري للأداء. زيغلر نيكروم أو ميزات التوليف التلقائي مثل زيغلر هي أساليب التوليف اليدوي الشهيرة.

الكتلة الحرارية: يتأثر أداء المتحكم بالكتلة الحرارية للنظام.

السلامة للتشغيل الآمن، من المهم استخدام الأسلاك الصحيحة، والمصاهر، وميزات السلامة مثل تنبيهات درجة الحرارة الزائدة.

4. طريقة فعالة للحفاظ على الثبات الحراري الدقيق.

يوفر جهاز التحكم في درجة حرارة 12 فولت دقة وموثوقية، مما يجعله مثاليًا لمجموعة واسعة من التطبيقات التي تستخدم إمدادات الطاقة القياسية 12 فولت.

(ج) يمكن للمستخدمين الاستفادة من تكنولوجيا الإدارة الحرارية هذه عن طريق فهم العمليات والمتطلبات.